火星探測任務(wù)著陸區(qū)選址和地質(zhì)分析

王 越，王 彪，王 汛，潘辰安，姚佩雯，李晨帆，李 勃

（1.山東大學(xué) 空間科學(xué)研究院，威海 264209；2.山東省光學(xué)天文與日地空間環(huán)境重點實驗室，威海 264209）

引 言

早在17世紀(jì)，人類就已經(jīng)開始用天文望遠(yuǎn)鏡觀察火星，并對火星的外觀有了初步的認(rèn)識。1960年以來，人類陸續(xù)對火星進(jìn)行了飛越、軌道環(huán)繞、著陸和巡視等探測活動[1]。這些探測活動獲得了大量的探測數(shù)據(jù)，大大加深了對火星的認(rèn)識。

進(jìn)入21世紀(jì)后，美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）相繼成功發(fā)射了“勇氣號”（Spirit）、“機遇號”（Opportunity）、“鳳凰號”（Phoenix）和“好奇號”（Curiosity）火星探測器，以及“火星全球勘測者”（Mars Global Surveyor，MGS）和“火星偵察軌道器”（Mars Reconnaissance Orbiter，MRO）等軌道探測器。2003年6月，歐洲航天局（European Space Agency，ESA）成功發(fā)射了火星快車（Mars EXpress，MEX）空間探測器。中、俄、日、印等國也相繼公布了各自的火星探測計劃[2]。

火星探測計劃的主要內(nèi)容就是對火星地貌、地質(zhì)、大氣、環(huán)境等條件進(jìn)行研究，在火星表面著陸并進(jìn)行巡視探測是火星探測計劃必不可少的一環(huán)。為保證計劃的順利進(jìn)行，需要進(jìn)行火星著陸區(qū)形貌分析和選擇。著陸區(qū)的表面特征會影響進(jìn)入、下降與著陸（Entry，Descent，and Landing，EDL）技術(shù)過程的安全性和巡視器移動性能[3]。滿足條件的著陸區(qū)域既要有研究的科學(xué)意義，還應(yīng)當(dāng)符合火星探測器工程設(shè)計約束的要求，只有綜合考慮這兩個條件，才能選出最合適的著陸區(qū)域。

本文使用從行星數(shù)據(jù)系統(tǒng)（Planetary Data System，PDS）中獲取的火星地形、影像數(shù)據(jù)，結(jié)合火星地質(zhì)單元圖，綜合考慮工程約束和科學(xué)意義來選擇我國火星探測任務(wù)的優(yōu)先著陸區(qū)，并對其進(jìn)行地質(zhì)背景分析。

1 研究區(qū)域和火星數(shù)據(jù)處理方法

1.1 研究區(qū)域

中國于2016年1月11日正式批復(fù)首次火星探測任務(wù)，中國火星探測任務(wù)正式立項，于2020年7月23日發(fā)射“天問1號”火星探測器?；鹦翘綔y任務(wù)將采取軌道器加火星車的聯(lián)合探測方式，在2021年實現(xiàn)首次著陸巡視。圖1中黑框區(qū)域是我國火星探測任務(wù)的兩個預(yù)選著陸區(qū)[4]，本文以其為基礎(chǔ)，將區(qū)域適當(dāng)擴(kuò)大作為本文的研究區(qū)域，在圖1中以紅框表示。

研究區(qū)域1的范圍如圖2（a）所示，經(jīng)度范圍為20°～50°W，緯度范圍為20°～30°N，投影方式為蘭伯特投影，主要位于克里斯平原（Chryse Planitia）。研究區(qū)域2的范圍如圖2（b）所示，經(jīng)度范圍為75°～140°E，緯度范圍為0°～30°N，投影方式為簡單圓柱投影。在研究區(qū)域2中，西部為伊希地平原（Isidis Planitia），北部為烏托邦平原（Utopia Planitia），南部是利比亞蒙特斯高原（Libya Montes Highlands）和尼本席斯桌山群（Nepenthes Mensae），中部是尼本席斯平原（Nepenthes Planum）。

由于兩個研究區(qū)域范圍廣大，區(qū)域內(nèi)形貌復(fù)雜，其成分和地質(zhì)單元各不相同，為了保證我國2020火星探測任務(wù)的成功著陸和巡視，需要對兩個研究區(qū)域進(jìn)一步進(jìn)行形貌、成分和年代分析，進(jìn)而確定安全且具有科學(xué)意義的優(yōu)先著陸區(qū)域。

圖1 全火星數(shù)字高程模型彩色渲染圖Fig.1 The color rendering map of the digital elevation model of the whole Mars

圖2 火星探測任務(wù)研究區(qū)域1和2Fig.2 Study areas 1 and 2 of the Mars mission

1.2 研究數(shù)據(jù)

本研究的數(shù)據(jù)從地球科學(xué)節(jié)點中的MGS獲得，是目前可公開獲取的分辨率最高的數(shù)據(jù)，具體包括以下幾種。

1.2.1 火星地形數(shù)據(jù)

火星數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）數(shù)據(jù)分辨率為128像元/（°），地圖分辨率為463 m/像元，使用簡單圓柱投影，是火星軌道激光高度計（Mars Orbiter Laser Altimeter，MOLA）在探測任務(wù)過程中獲取的描述火星表面地形起伏的數(shù)據(jù)。

1.2.2 火星影像數(shù)據(jù)

1）全火星影像數(shù)據(jù)

全火星影像數(shù)據(jù)分辨率為256像元/（°），由火星軌道相機（Mars Orbiter Camera，MOC）拍攝的紅波段廣角圖像（主要于1999年5—6月拍攝）拼接而成。該數(shù)據(jù)使用IAU2000參考系統(tǒng)，數(shù)據(jù)分辨率為232 m/像元，在研究中主要作為底圖使用。

2）火星表面熱慣量和反照率數(shù)據(jù)

“熱輻射光譜儀”（Thermal Emission Spectrometer，TES）是MGS上的一種儀器。在整個任務(wù)階段，TES儀器測量和監(jiān)測了火星的表面和大氣。

本研究使用的火星表面日間熱慣量數(shù)據(jù)為全火星日間MGS-TES熱慣量圖[5]。使用的數(shù)據(jù)來自TES溫度觀測，計算出的熱慣量閾值為5～5 000 tiu（tiu =Jm–2·K–1·s–?），分辨率為20像元/（°），地圖分辨率為3 km/像元。該數(shù)據(jù)包括從1999年2月（任務(wù)開始）—2004年4月的數(shù)據(jù)，僅使用表面溫度在160～400 K之間的日間數(shù)據(jù)。圖3是全球日間MGS-TES熱慣量圖，火星探測任務(wù)的預(yù)選著陸區(qū)和本文研究區(qū)域已在圖3上標(biāo)出。

本文使用的火星表面反照率數(shù)據(jù)為全火星TES熱反照率圖（TES Bolometric Albedo Global Map）[6]。該圖使用簡單圓柱投影，分辨率為8像元/度，地圖分辨率為7.41 km/像元，反照率值域范圍為0.08～0.32。該數(shù)據(jù)包括從1999年2月（任務(wù)開始）—2004年4月的數(shù)據(jù)。圖4是TES熱反照率全球圖，我國2020年火星探測任務(wù)的預(yù)選著陸區(qū)和本文研究區(qū)域已在圖4上標(biāo)出。

1.2.3 火星地質(zhì)單元圖

本文使用的地質(zhì)單元圖為美國地質(zhì)調(diào)查局（United States Geological Survey，USGS）科學(xué)調(diào)查地圖系列（U.S.Geological Survey Scientific Investigations Map，SIM 3 292）。如圖5所示，火星探測任務(wù)的初步預(yù)選著陸區(qū)和本文研究區(qū)域已在圖上標(biāo)出，底圖為火星影像數(shù)據(jù)。

圖3 全火星日間MGS-TES熱慣量圖Fig.3 Martian global dayside MGS-TES map

圖4 全火星TES熱反照率圖Fig.4 Martian global TES bolometric albedo map

圖5 火星地質(zhì)單元圖（編號3 292）Fig.5 Geological unit map of Mars（SIM 3 292）

這張全火星地質(zhì)圖主要數(shù)據(jù)來自于“海盜號”（Viking）火星探測器，記錄了火星表面地質(zhì)單元的分布和火星表面形貌隨時間的變化。地圖比例為1∶20 000 000，采用火星2000地理坐標(biāo)系。

1.3 研究方法

1.3.1 地形因子提取

本文使用全火星數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)來提取預(yù)選著陸區(qū)的地形因子（坡度和粗糙度），計算方法如下。

1）坡度

坡度定義為地面單元與水平面之間的夾角，或地面單元的法線矢量與鉛垂線之間的夾角；有時也用夾角的正切（即斜率）來表示。

在高程矩陣中，利用活動窗口計算坡度[7]。通過與周圍像元高程值比較計算，使用簡單差分方法，快速地求得地面單元的坡度。

2）粗糙度

粗糙度是反映地表形態(tài)的一個宏觀指標(biāo)[8]，傳統(tǒng)的粗糙度是指在一個較小的區(qū)域范圍內(nèi)，地表單元的表面積與其在水平面上投影面積的比值。為了定量化描述粗糙度，本研究使用均方根偏差（Root Mean Square Deviation，RMSD）[9]作為火星表面粗糙度的參數(shù)。

均方根偏差v能夠表示出高程在水平方向上的變化，與所選擇的水平方向上的步長（?x）密切相關(guān)，其表達(dá)式如下

其中：hi為第i個點的高程值；h(i+?x)為與第i個點相距?x步長的點的高程值。

1.3.2 著陸區(qū)地面承重

著陸區(qū)域的表面必須能夠負(fù)載探測器的著陸和巡視器的通行，這就要求火星探測器的著陸區(qū)域擁有較高的表面承重能力。根據(jù)研究可知，火星表面的承重能力與其熱物理性質(zhì)（包括反照率和熱慣量）的大小有關(guān)。

熱慣量反映了物體在白天傳導(dǎo)和存儲熱能以及在夜間釋放熱能的能力。一般情況下，松散細(xì)粒材料的表面熱慣量值較低，膠結(jié)面和砂粒組成的表面熱慣量值中等，巖石表面的熱慣量值較高[5]。

反照率是指火星表面在太陽輻射的影響下，反射輻射通量與入射輻射通量的比值，暗黑物體比白色物體反照率低。反照率可以用來推斷火星表面的含塵量，因為灰塵很大的區(qū)域反照率很高[10]。

1977年，Kieffer等利用IRTM數(shù)據(jù)首次繪制了火星表面熱慣量分布圖，發(fā)現(xiàn)熱慣量與反照率有較強的負(fù)相關(guān)關(guān)系[11]，熱慣量低且反照率高的火星表面覆蓋著較厚的松散灰塵，這些區(qū)域的承重能力低，不利于探測器的著陸和巡視器的巡視。

2 火星預(yù)選著陸區(qū)多因子綜合安全性評價

下文所有分析與評價均基于研究區(qū)域1和2進(jìn)行，分別從工程約束和科學(xué)意義兩個方面進(jìn)行參數(shù)提取、分析和評價，選擇形貌安全、具有研究的科學(xué)意義的區(qū)域作為優(yōu)先著陸區(qū)。

2.1 工程約束下的火星著陸區(qū)選擇

2.1.1 高程

對火星大氣研究得知，火星大氣比地球大氣稀薄很多，火星表面的大氣壓為560 Pa，與地球表面37 km高度處的大氣壓力相同[12]。如果著陸區(qū)高程較高，著陸器下降過程中會因為開傘高度過低而沒有足夠的減速時間，導(dǎo)致下降速率過高而墜毀。在考慮下降過程中相關(guān)條件的影響后，著陸器開傘時的高度相對較低，因此選擇的著陸區(qū)地形高程應(yīng)處于–2 km以下[3]。

1號研究區(qū)域內(nèi)高程均小于–2 km，2號研究區(qū)域內(nèi)高程小于–2 km的區(qū)域為圖6中的藍(lán)色區(qū)域，圖6中綠色線條為間距500 m的等高線?？梢钥闯?，區(qū)域的西部、南部和東部小部分區(qū)域高程較高，北部和中部高程較低。

圖6 研究區(qū)域2的高程重分類圖Fig.6 Elevation reclassification map of research area 2

2.1.2 緯度

緯度主要影響當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境條件，火星表面的熱環(huán)境規(guī)律呈現(xiàn)出赤道向兩極整體溫度逐漸降低的趨勢。大氣密度、光照等環(huán)境條件都與著陸區(qū)緯度相關(guān)，其影響隨著緯度增加而增大，較為有利的緯度范圍在火星地理南北緯30°以內(nèi)[3]。研究區(qū)域1和2所處緯度均滿足要求。

2.1.3 坡度

為了保證火星著陸器降落過程中相關(guān)儀器的正常運行和動力下降階段燃料充足，在分辨率為0.01～1 km的地圖數(shù)據(jù)中，地形起伏應(yīng)當(dāng)小于120 m[13]。坡度是通過計算以當(dāng)前像元為中心的3 × 3高程格網(wǎng)得到，本研究使用的MOLA高程數(shù)據(jù)在赤道地區(qū)的分辨率為463 m/像元，所以坡度的基線長度為926 m。經(jīng)計算可知，地形起伏與926 m基線長度的坡度的關(guān)系為：< 40 m（< 2.47°），40～80 m（2.47°～4.94°），80～100 m（4.94°～6.16°），100～120 m（6.16°～7.38°），> 120 m（> 7.38°）。

著陸區(qū)的坡度也影響火星巡視器的行動能力，在選擇合適著陸區(qū)時，應(yīng)避開巡視器可能安全著陸但無法巡視的地點。最常見的例子是巡視器安全著陸于相對平坦的撞擊坑底，但無法爬上撞擊坑陡峭的坑壁而巡視撞擊坑周圍的區(qū)域。由火星探測漫游者的經(jīng)驗和火星科學(xué)實驗室測試的結(jié)果可知[13]，坡度小于15°的區(qū)域是可穿越的。

本文綜合考慮地形起伏和可穿越區(qū)域的坡度限制，根據(jù)國外成功的火星著陸探測任務(wù)經(jīng)驗，排除研究區(qū)域中坡度大于7.38°的區(qū)域。圖7（a）和（b）是兩塊研究區(qū)域的坡度重分類圖，從圖中可以看出，坡度大的區(qū)域多位于撞擊坑的邊緣和高原與平原的交界處，坡度較小的區(qū)域多位于平原內(nèi)部。

圖7 坡度重分類圖Fig.7 Slope reclassification map

2.1.4 地形粗糙度

地形粗糙度是反映地表形態(tài)的一個量化指標(biāo)。粗糙度越大，說明該區(qū)域地形起伏越劇烈，或者具有更復(fù)雜的地貌，會影響探測器著陸的安全性和巡視器的巡視能力，具有較大粗糙度的區(qū)域不適合選做火星探測任務(wù)的著陸區(qū)。

本文分別計算了美國成功著陸的火星探測器“火星2號”（Mars 2）、“火星6號”（Mars 6）、“海盜1號”（Viking 1）、“海盜2號”（Viking 2）、“火星探路者號”（Mars Pathfinder，MPF）、“火星探測漫游者”（Mars Exploration Rover，MER）計劃“勇氣號”（Spirit）、MER“機遇號”（Opportunity）、“鳳凰號”（Phoenix）、“火星科學(xué)實驗室”（Mars Science Laboratory，MSL）“好奇號”（Curiosity）著陸點周圍1、5、10 km范圍內(nèi)地形的均方根偏差作為量化火星表面粗糙度的參數(shù)，如表1所示。

表1 成功著陸任務(wù)不同范圍區(qū)域的均方根偏差Table 1 Root mean square deviations in different areas of the successful landing mission

為保證我國2020火星探測任務(wù)順利著陸，應(yīng)選擇粗糙度較小的地區(qū)作為優(yōu)先著陸區(qū)?？紤]探測器在下降過程中的移動能力和范圍，本文選擇1 km范圍的最大均方根偏差0.009 6作為閾值。圖8（a）和（b）是兩塊研究區(qū)域的均方根偏差重分類圖，用以量化研究區(qū)域的粗糙度。從圖8中可以看出，平原地區(qū)粗糙度比較小，高原和桌山群地區(qū)粗糙度比較大，粗糙度大的區(qū)域集中在研究區(qū)域1東南部和研究區(qū)域2西部和南部的地形起伏處，尤其是撞擊坑邊緣粗糙度較大。從圖8中還可以看出，可能曾經(jīng)是河道的區(qū)域兩側(cè)粗糙度比較大。

圖8 均方根偏差重分類圖Fig.8 Root mean square deviation reclassification map

2.1.5 地面承重

根據(jù)研究可知，火星表面大范圍的區(qū)域熱慣量非常低且反照率高，這些區(qū)域的表面主要是幾米厚的松散灰塵[14-15]。

從以往成功火星任務(wù)著陸區(qū)域的表面物理性質(zhì)可知，松散且厚的灰塵堆積區(qū)域沒有足夠的承重能力負(fù)載探測器著陸和巡視器巡視。熱慣量小于100 tiu且反照率大于0.25的區(qū)域?qū)?yīng)于多灰塵覆蓋的區(qū)域[14,16]，這些灰塵可能有幾米厚[15]。低熱慣量和高反照率區(qū)域存在的大溫差也會使部分功率用于溫控，降低了著陸器在火星表面的操作能力。具有這種特性的火星表面不適合作為火星探測任務(wù)的著陸區(qū)。

因此，本文在進(jìn)行地面承重能力分析時，將研究區(qū)域的熱慣量和反照率分別以100 tiu和0.25為閾值進(jìn)行重分類，得到研究區(qū)域的熱慣量重分類圖和反照率重分類圖。然后依據(jù)表2的地面承重能力判定公式[13]計算研究區(qū)域的地面承重能力，得到研究區(qū)域地面承重能力重分類圖（圖9）。由圖9可以看出，研究區(qū)域1東部大部分區(qū)域承重能力中，西北部區(qū)域承重能力高；研究區(qū)域2東部小部分區(qū)域承重能力低，西北部和南部小部分區(qū)域承重能力中，其余區(qū)域承重能力高。

表2 地面承重能力判定公式Table 2 Ground bearing capacity determination formula

圖9 研究區(qū)域的地面承重能力重分類圖Fig.9 Ground bearing capacity reclassification map of the research area

2.2 科學(xué)意義下的火星著陸區(qū)選擇

2.2.1 生命

本研究所使用的工程限制條件如表3所示，在對火星的探索任務(wù)中，最主要的目標(biāo)就是尋找火星上生命存在的痕跡。

火星上含水礦物的形成與水溶液的活動有關(guān)，尋找并研究含有這些礦物的地質(zhì)單元可以很好地了解火星表面曾經(jīng)的環(huán)境條件。含水礦物的富集區(qū)是搜尋火星古老生命跡象、開展火星表面古氣候古環(huán)境研究等工作的良好候選地區(qū)[17]。

識別火星表面不同種類的含水礦物，確定它們的空間分布并對富集區(qū)域進(jìn)行地質(zhì)環(huán)境研究，有助于選擇火星表面可能存在生命的區(qū)域并進(jìn)一步探索可能存在的火星生命形式。

本文使用火星表面主要含水礦物全球分布圖[17]、全火星含水礦物探測地圖[18]和火星上黏土礦物的分布圖[19]來確定火星表面含水礦物的分布，如圖10（a）、（b）和（c）所示。

通過含水礦物分布圖，可以確定研究區(qū)域內(nèi)的含水礦物種類及分布。圖11（a）和（b）分別為研究區(qū)域1和2內(nèi)的含水礦物種類及分布，從圖像中可以看出，含水礦物主要分布在高原與平原的交界處和部分撞擊坑的內(nèi)部和邊緣位置。高原到平原地勢逐漸降低，來自高原的侵蝕物質(zhì)沿著高原與平原的邊界沉積，因此在邊界處探測到了大量的含水礦物。部分撞擊坑所處區(qū)域可能曾經(jīng)遭受洪水侵蝕或位于河道區(qū)域，因此在其內(nèi)部和邊緣曾探測到含水礦物。

2.2.2 地質(zhì)

火星地殼的平均年齡比地球老，其形成經(jīng)歷了復(fù)雜的地質(zhì)過程，并受到后期地質(zhì)作用的不斷改造[20]。因為火星地殼的板塊活動不存在或早已停止，所以其表面的不同地質(zhì)單元間具有較為明確的分界線。位于地質(zhì)單元分界線處的區(qū)域具有復(fù)雜的地質(zhì)背景，保存有火星形成及演化過程中產(chǎn)生的各種地質(zhì)記錄。選擇此類區(qū)域作為優(yōu)先著陸區(qū)，可以對多種地質(zhì)單元進(jìn)行研究，使我們了解類地行星形成早期的狀態(tài)以及演化過程。同時，對于研究火星的生命也有非常重要的意義。

表3 我國火星探測任務(wù)著陸區(qū)工程約束條件及閾值Table 3 Engineering constraints and thresholds for the landing areas of Mars Mission

圖10 火星表面含水礦物的分布圖Fig.10 Map of the distribution of hydrous minerals on the surface of Mars

圖11 研究區(qū)域內(nèi)水合礦物種類及分布Fig.11 Types and distribution of hydrated minerals in the research areas

火星表面上存在著流水地貌，前人在這些地貌上發(fā)現(xiàn)了液態(tài)水的痕跡，包括古河流、古湖泊、三角洲和厚層狀沉積巖等[21-22]，同時也探測到了含水礦物的分布。流水地貌可能記錄著火星表面水文系統(tǒng)和氣候的相關(guān)信息，選擇存在流水地貌的區(qū)域作為優(yōu)先著陸區(qū)，有助于研究火星氣候變化和尋找火星上生命存在的痕跡。

此外，火星上大多數(shù)新鮮撞擊坑周圍常被一層、兩層，甚至多層濺射物覆蓋[23]。研究發(fā)現(xiàn)，這種火星撞擊坑濺射物與干燥月球表面撞擊坑濺射物輻射紋有明顯區(qū)別。有兩種模型可以解釋火星撞擊坑層狀濺射物的成因：撞擊過程中，火星表層下的揮發(fā)份物質(zhì)蒸發(fā)[24-25]；濺射物與火星大氣的相互作用[26-28]。選擇存在層狀濺射物的區(qū)域作為優(yōu)先著陸區(qū)，可以對其成因進(jìn)行進(jìn)一步的研究，具有一定的科學(xué)意義。

3 火星優(yōu)先著陸區(qū)選擇與分析

3.1 優(yōu)先著陸區(qū)選擇

研究具體流程如圖12所示，為確定著陸器著陸時的危險程度，依據(jù)上述工程約束條件分別對研究區(qū)域進(jìn)行重分類。令滿足條件的柵格單元值為0，不滿足條件的柵格單元值為1，得到各工程約束條件的二值柵格數(shù)據(jù)。將這些柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析和疊加，可以將研究區(qū)域的柵格單元值分為0～5，用以代表危險程度。柵格單元值為0的區(qū)域為滿足所有工程約束條件的安全區(qū)域，可以選為優(yōu)先著陸區(qū)。研究區(qū)域的危險程度分級圖如圖13（a）和（b）所示，點標(biāo)注為含水礦物的分布，底圖為火星影像數(shù)據(jù)。

圖12 中國2020火星探測任務(wù)著陸區(qū)選擇和地質(zhì)背景研究流程圖Fig.12 Flowchart of China 2020 Mars mission landing areas selection and geological background research

圖13 優(yōu)先著陸區(qū)的位置分布Fig.13 Distribution of priority landing areas

由美國2020火星探測任務(wù)最終著陸點的工程限制條件可知，著陸橢圓應(yīng)當(dāng)為近東西向，這與探測器的軌道狀態(tài)和下降過程中航空機動的精確程度有關(guān)[13]。因此本文在選擇盡可能大的優(yōu)先著陸區(qū)域的前提下，盡量保證著陸橢圓為近東西向。

在危險程度為0的研究區(qū)域內(nèi)，結(jié)合含水礦物的分布情況，共選出了8個能夠安全著陸且有科學(xué)意義的優(yōu)先著陸區(qū)，以a～h依次編號（如圖13所示）?？梢钥闯觯瑑?yōu)先著陸區(qū)主要位于危險程度最低、曾探測到含水礦物分布且具有地質(zhì)方面研究意義的區(qū)域。各優(yōu)先著陸區(qū)的詳細(xì)說明如表4所示。

表4 優(yōu)先著陸區(qū)的位置分布和形狀Table 4 The location and shape of the priority landing area

3.2 優(yōu)先著陸區(qū)地質(zhì)背景分析

研究區(qū)域內(nèi)的地貌和地質(zhì)單元如圖14（a）和（b）所示。區(qū)域內(nèi)不同的地貌和地質(zhì)單元形成于不同的年代，經(jīng)受了不同的地質(zhì)作用，因此可能具有不同的礦物分布。含水礦物的分布及其變化與火星表面古氣候尤其是富水環(huán)境有緊密的聯(lián)系。本研究綜合分析優(yōu)先著陸區(qū)域的地質(zhì)背景和含水礦物的分布情況，分別對各個優(yōu)先著陸區(qū)內(nèi)的形貌、地質(zhì)單元和構(gòu)造對象進(jìn)行介紹，并評定選擇各著陸區(qū)的優(yōu)先程度。

圖14 研究區(qū)域內(nèi)地貌和地質(zhì)單元圖Fig.14 Geomorphic and geological unit maps of the research areas

3.2.1 克里斯平原區(qū)域（a和b優(yōu)先著陸區(qū)）

a和b優(yōu)先著陸區(qū)均位于火星北半球西部的克里斯平原，該平原處于塔爾西斯高原（Tharsis Bulge）西部靠近赤道的位置。塔爾西斯高原在上升過程中所產(chǎn)生的壓力導(dǎo)致了克里斯平原內(nèi)皺脊的形成，皺脊內(nèi)形成了高滲透性的區(qū)域。因此，地下水可能沿著這些構(gòu)造流動和聚集，形成高滲透帶[29]。a和b區(qū)域內(nèi)形貌特征如圖15（a）和（b）所示。

圖15（a）中的Calahorra撞擊坑和圖15（b）中的Yuty撞擊坑都具有多層濺射物結(jié)構(gòu)。優(yōu)先著陸區(qū)a和b剛好位于其多層濺射物之上，對于研究火星撞擊坑多層濺射物的成因具有一定的科學(xué)意義。

a優(yōu)先著陸區(qū)西部是西方紀(jì)過渡期外流河道單元（Hesperian transition outflow unit），東部是亞馬遜紀(jì)?西方紀(jì)撞擊單元（Amazonian and Hesperian impact unit）。西方紀(jì)過渡期外流河道單元內(nèi)部整體地形起伏較小，反照率低，地面承重能力強。亞馬遜紀(jì)?西方紀(jì)撞擊單元較為復(fù)雜，內(nèi)部地質(zhì)對象較多，包括：彎曲山脊、流線型丘陵和退化的撞擊坑邊緣[30]。此外，在Calahorra撞擊坑邊緣探測到了層狀硅酸鹽的存在，表明該區(qū)域可能形成了相對較厚的湖相沉積。

b優(yōu)先著陸區(qū)主要位于晚西方世過渡期單元（Late Hesperian transition unit），東部小部分區(qū)域位于西方紀(jì)過渡期外流河道單元。晚西方世過渡期單元可能曾經(jīng)是較高的河床，局部有不規(guī)則的凸起。該區(qū)域可能曾經(jīng)遭受特大洪水侵蝕，在Yuty撞擊坑的西方（距b著陸區(qū)32.7 km），探測到了層狀硅酸鹽的存在。著陸區(qū)東部的西方紀(jì)過渡期外流河道單元曾經(jīng)可能是較低的河床，該區(qū)域平滑且寬闊。

圖15 a和b優(yōu)先著陸區(qū)內(nèi)的地形地貌Fig.15 Topography within the priority landing area a and b

3.2.2 伊希地平原區(qū)域（c～g優(yōu)先著陸區(qū)）

c～g優(yōu)先著陸區(qū)位于火星北半球東部的伊希地平原，該平原位于南部高地和北部低地的邊界附近，幾乎成圓形。前人通過撞擊坑尺度?頻率分布分析得到，伊希地平原表面上的地質(zhì)單元的形成年代位于晚西方世（Late Hesperian）到早亞馬遜世（Early Amazonian）之間[31]。c～g區(qū)域內(nèi)形貌特征如圖16（a）～（d）所示。

c和d優(yōu)先著陸區(qū)均位于伊希地平原的西北部邊緣，其地質(zhì)單元是西方紀(jì)?諾亞紀(jì)過渡單元（Hesperian and Noachian transition unit）。該單元內(nèi)部沒有大型撞擊坑，地形坡度比較平緩。d優(yōu)先著陸區(qū)位于Jezero撞擊坑內(nèi)部。撞擊坑內(nèi)曾探測到黏土礦物和碳酸鹽等含水礦物，表明了該撞擊坑很可能曾經(jīng)是一個湖泊[32]。周圍大面積區(qū)域內(nèi)的河流攜帶不同地區(qū)的沉積物流入其中，在撞擊坑內(nèi)堆積形成了兩個三角洲[1]。黏土礦物有利于有機物的保存，碳酸鹽能夠幫助研究早期火星的碳循環(huán)。

e和f優(yōu)先著陸區(qū)均位于伊希地平原的南部邊緣，接近利比亞蒙特斯高原。利比亞蒙特斯高原經(jīng)歷了多期次的河流活動，形成了一系列河流和湖泊地貌，包括樹枝狀山谷（dendritic valleys）、開闊盆地古湖泊（open-basin paleolakes）、沖積扇（alluvialfans）、三角洲（deltas）、候選濱線（candidate shorelines）和水化沉積（hydrated deposits）[33]。由于從南部的利比亞蒙特斯高原到北部的伊希地平原地勢逐漸降低，來自高原的侵蝕物質(zhì)沿著利比亞蒙特斯和伊希地的邊界沉積，因此在該邊界處探測到了大量的含水礦物。其中，e優(yōu)先著陸區(qū)西北部是晚西方世低地單元（Late Hesperian lowland unit），東南部是亞馬遜紀(jì)?西方紀(jì)撞擊單元。f優(yōu)先著陸區(qū)主要位于晚西方世低地單元，東部小部分位于中諾亞世高地地塊單元（Middle Noachian highland massif unit）。晚西方世低地單元地形平緩，沒有較大的撞擊坑，平原物質(zhì)可能由沉積巖和沖擊角礫巖上的薄風(fēng)化層和風(fēng)成地幔組成。中諾亞世高地地塊單元部分區(qū)域有孤立的丘陵，在靠近晚西方世低地單元的邊緣可能埋藏有鄰近單元的侵蝕殘余物。

g優(yōu)先著陸區(qū)主要位于亞馬遜紀(jì)?西方紀(jì)撞擊單元，年齡大約為3.8～3.9 Ga；西北部小部分位于晚西方世低地單元，年齡大約為3.6～3.8 Ga。區(qū)域內(nèi)分布著可能發(fā)育于伊希地平原的皺脊，一條東西向的大型皺脊橫穿整個著陸區(qū)。g優(yōu)先著陸區(qū)西北部的晚西方世低地單元地形平坦，撞擊坑密度低。東南部位于著陸區(qū)南方撞擊坑的濺射物上，埋藏有較少的老舊撞擊坑，曾探測到層狀硅酸鹽的存在。

3.2.3 尼本席斯平原區(qū)域（h優(yōu)先著陸區(qū)）

h優(yōu)先著陸區(qū)位于火星北半球東部的尼本席斯平原，該平原是一個平坦的區(qū)域，海拔約為?1 500 m，平原內(nèi)分布著一些粗糙、斑駁的紋理對象和一些光滑的洼地[34]（圖17）。h優(yōu)先著陸區(qū)位于早西方世過渡期單元（Early Hesperian transition unit），年齡大約為3.65～3.81 Ga。該區(qū)域位于尼本席斯桌山群和尼本席斯平原的交界處，在地質(zhì)演化過程中可能遭受了陡坡、河流和火山過程的侵蝕和沉積作用[35]，并且在該區(qū)域曾探測到層狀硅酸鹽存在。該區(qū)域內(nèi)部地貌平坦，撞擊坑少，幾乎沒有古老的撞擊坑。

圖17 優(yōu)先著陸區(qū)h內(nèi)的地形地貌Fig.17 Topography within the priority landing area h

3.3 優(yōu)先著陸區(qū)優(yōu)先程度評定

在最終選出的8個優(yōu)先著陸區(qū)中，e、f、g 3個著陸區(qū)優(yōu)先度最高。它們均位于地質(zhì)單元的交界處，具有復(fù)雜的地質(zhì)背景；地形平坦，適合探測器著陸；區(qū)域內(nèi)曾經(jīng)探測到含水礦物的存在，許多跡象表明這些區(qū)域曾經(jīng)存在液態(tài)水，對這些區(qū)域進(jìn)行探索，可能能夠發(fā)現(xiàn)火星上曾經(jīng)存在的生命物質(zhì)。

a、b、h 3個著陸區(qū)優(yōu)先度次之。a和b著陸區(qū)內(nèi)沒有探測到含水礦物分布，但處于地質(zhì)單元的交界處且位于撞擊坑多層濺射物上，具有相對復(fù)雜的地質(zhì)背景。在a和b著陸區(qū)不遠(yuǎn)處曾探測到了含水礦物的存在，平坦的地形使得巡視器能夠前去探測。h著陸區(qū)雖然不處于地質(zhì)單元交界處，但區(qū)域位于尼本席斯桌山群和尼本席斯平原的交界處。區(qū)域內(nèi)存在流水地貌，分布有層狀硅酸鹽，很可能曾經(jīng)有生命存在。

c和d兩個著陸區(qū)優(yōu)先度較低。雖然這兩個著陸區(qū)內(nèi)存在流水地貌且分布有含水礦物，但其位于撞擊坑內(nèi)部，且被高危險程度的區(qū)域包圍，這既增加了著陸難度，又限制了探測器的探測范圍，不利于規(guī)劃探測器的巡視探測計劃。

4 結(jié)束語

中國火星探測任務(wù)已經(jīng)實施，選擇既有科學(xué)意義又符合工程限制條件的著陸區(qū)域十分關(guān)鍵。本文通過評定研究區(qū)域的危險程度，選出了符合工程限制條件的區(qū)域，結(jié)合火星表面含水礦物的分布情況，共選出了8個優(yōu)先著陸區(qū)，并對其進(jìn)行地質(zhì)背景研究，評定各著陸區(qū)作為最終著陸區(qū)的優(yōu)先程度。

未來還需要對火星著陸區(qū)的選擇開展進(jìn)一步的工作，具體包括：考慮火星沙塵暴的分布和頻率對火星著陸安全性的影響；使用高分辨率的影像數(shù)據(jù)或遙感數(shù)據(jù)對著陸區(qū)內(nèi)的巖石尺寸和分布頻率進(jìn)行分析；考慮更多的科學(xué)意義，對符合工程限制條件的區(qū)域進(jìn)行進(jìn)一步篩選，選取具有更多研究對象和科學(xué)意義的著陸點。